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銀河系直徑20萬光年如何測量的?其實原理很簡單,就在我們身邊!

2024-07-24科學

在人類科學探索的長河中,了解自身所處的宇宙位置始終是一個迷人的話題。幾個世紀以來,科學家們透過不斷的觀測和理論推導,逐步揭開了地球、太陽系乃至銀河系的神秘面紗。

早在哥白尼提出地心說之前,人類就已經意識到,我們所居住的星球並非宇宙的中心。隨著科學的發展,這一認識逐漸深化,我們開始理解到,地球只是圍繞太陽旋轉的眾多行星之一,而太陽則是銀河系中數以千億計恒星中的一顆。

然而,盡管對太陽系的了解日益深入,對於銀河系這一龐大天體系統的認知卻相對滯後。在很長一段時間內,由於缺乏有效的測量手段,人們甚至無法準確得知銀河系中恒星的真實距離,更不用說整個銀河系的尺寸了。

直到視差法的出現,這一狀況才開始改變。視差法,這一利用雙眼視差來判斷物體遠近的原理,被巧妙地套用到天文觀測中,首次讓測量遙遠恒星的距離成為可能。

視差法的原理其實並不復雜。

正如我們平時觀察物體時,稍稍改變頭部位置就會發現物體在視野中的位置有所變化一樣,這種視差現象同樣存在於天文觀測中。當地球沿著其軌域繞太陽運動時,遙遠的恒星在天空中的位置也會因為這種相對移動而產生微小的變化。透過比較不同時間點拍攝的星空照片,科學家們可以計算出恒星的視差角,進而利用三角函式關系得到恒星的實際距離。

然而,視差法並非萬能鑰匙。對於距離我們非常遙遠的恒星,其視差角實在太小,以至於難以精確測量。這就限制了視差法的套用範圍,僅適用於那些相對靠近我們的天體。為了突破這一局限,天文學家亨利Eta-勒維特做出了劃時代的貢獻。

她透過研究恒星的亮度變化,尤其是一種名為造父變星的特殊星體,發現了亮度變化與恒星實際亮度之間的定量關系。這種關系使得即使無法直接測量視差角,也能透過恒星的光變周期推算出其距離,從而為測量更遙遠的天體距離提供了新的可能。

勒維特的研究為天文學界帶來了新的曙光。她對造父變星的光變周期和亮度進行了系統性的觀測和分析,發現這兩者之間存在明確的相關性。這一發現意味著,只要知道一顆造父變星的光變周期,就能透過其亮度來計算出恒星的距離。由於造父變星的光變周期相對容易觀測,這為測量遠處天體的距離提供了一個可靠的標尺。

基於勒維特的工作,天文學家們開始嘗試測量銀河系的直徑。透過尋找足夠遠的造父變星,並結合其光變周期和亮度數據,科學家們首次計算出了銀河系的直徑約為10萬光年。這一成果標誌著人類對銀河系大小的認識邁出了重要一步。

然而,這一數據並未就此定格。隨著觀測技術的進步,特別是中國郭守敬望遠鏡的投入使用,最新的觀測數據顯示,銀河系的直徑至少為20萬光年,這一數位幾乎是早期估算的兩倍。

這一更新的測量結果不僅讓我們對銀河系的實際大小有了更準確的認識,也進一步激發了人類探索宇宙深處的渴望。透過對造父變星的深入研究,我們不僅測量了銀河系的直徑,也對宇宙的尺度有了更為直觀的理解。

測量銀河系直徑的過程,實際上是對宇宙尺度認知的一次精確化。這一過程主要包括四個關鍵步驟:首先,利用視差法測量較近的恒星距離,確立距離與視差角的定量關系;其次,透過觀察和分析造父變星的亮度變化周期,建立其與實際亮度的對應關系;

然後,選取足夠遠的造父變星作為標準燭光,測量其光變周期和亮度;最後,套用前述數據,透過三角函式計算,得出銀河系的直徑。

在實際操作中,中國郭守敬望遠鏡發揮了重要作用。透過大量的天文觀測和數據分析,科研人員得以精確測量多顆造父變星的光變周期和亮度,這些數據成為計算銀河系直徑的關鍵。經過復雜的數學運算和模型校驗,最終得出的結論是,銀河系的直徑至少為20萬光年。這一數據不僅超越了之前的估算,也為我們理解銀河系乃至整個宇宙的結構提供了新的視角。